NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TIÊU SỌ

NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TIÊU SỌ

Nguyễn Văn Nghĩa ⁽¹⁾, Nguyễn Văn Phước⁽²⁾ (1) Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM (2) Viện Môi trường & Tài nguyên, ĐHQG-HCM 1.GIỚI THIỆU

Sản xuất tiêu sọ là loại hình chế biến nông sản phát triển mạnh do nhu cầu xuất khẩu, việc sản xuất tiêu sọ được ủng hộ phát triển vì đem lại lợi ích cho người dân và ngoại tệ do xuất khẩu, tuy nhiên chưa có nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải của quá trình này. Để đảm bảo phát triển bền vững thì nhất thiết phải có công nghệ xử lý nước thải.

Thành phần và tính chất ô nhiễm của nước thải đã được nhóm nghiên cứu khảo sát, đo đạc tại các cơ sở sản xuất tiêu sọ thuộc huyện Đăk Rlấp:

Bảng 1. Thành phần và tính chất nước thải tiêu sọ Kết quả đo đạc

Chỉ tiêu ô nhiễm

Đơn vị

Nước thải ngâm tiêu

Nước thải chà vỏ tiêu

TCVN 5945:2005

(cột B)

pH - 5,45 – 5,95 5,45 – 5,95 5,5 – 9,0

COD mgO2 /l 2.000-10.000 10.000-30.000 80

BOD5 mgO2/l 400 - 2.000 2000 - 6000 50

SS mg/l 600 – 5.000 20.000-35.000 100

Tổng N mg/l 50 – 100 50 – 100 30

Tổng P mg/l 0,5 – 4,2 0,5 – 4,2 6

Độ màu Pt-Co 2000 – 4000 1000 – 2000 50

Hình 1. Nước thải tiêu sọ

Nước thải tiêu sọ có hàm lượng COD, BOD, SS và độ màu rất cao với lưu lượng khoảng 15 m³/tấn tiêu sọ. Thành phần nước thải chủ yếu là cellulose, chất béo, chất khoáng, chất đạm, piperine, lignin, tinh dầu…[3]

Nước thải có mức độ ô nhiễm cao, trong khi đó chi phí đầu tư và trình độ vận hành còn hạn chế, vì vậy cần tìm kiếm công nghệ phù hợp với điều kiện của địa phương.

Đặc thù nước thải có SS cao nên trong công nghệ xử lý nhất thiết phải được tách ra, trong số các phương pháp lọc (lọc nhanh, lọc chậm, lọc vách ngăn, lọc áp lực…) nhóm nghiên cứu đề xuất Sân phơi cát vì phù hợp với lao động thủ công và đặc thù nước thải có SS cao.

Do nước thải có COD cao và tỷ lệ BOD5/COD thấp (xấp xỉ 0,2) nên phải lựa chọn công nghệ kỵ khí, có nhiều công trình kỵ khí: UASB, lọc sinh học, bể lên men, tiếp xúc kỵ khí… nhưng nhóm nghiên cứu đề xuất công nghệ lọc sinh học kỵ khí với giá thể xơ dừa vì chi phí đầu tư thấp và hiệu quả cao do mật độ vi sinh lớn.

Nước thải sau kỵ khí chưa khử triệt để COD nên được tiếp tục xử lý bằng công nghệ hiếu khí, trong số các công trình hiếu khí (aerotank, sục khí cưỡng bức, lọc hiếu khí, cấp khí từng mẻ…[4,5]) thì công nghệ lọc hiếu khí với giá thể xơ dừa được lựa chọn do công nghệ đơn giản, hiệu quả, ổn định và ít sinh bùn.

Đặc thù tính chất nước tiêu sọ chứa lignin, humic, hợp chất màu… khó phân huỷ sinh học nên cần phải tiếp tục xử lý để khử triệt để COD và màu. Có nhiều phương pháp xử lý (oxy hoá, keo tụ-tạo bông, hấp phụ…[4,5]) nhưng để phù hợp với điều kiện địa phương, nhóm nghiên cứu đề xuất 2 phương án: sử dụng hệ thực vật tự nhiên và hệ keo tụ – tạo bông.

Vì vậy nhóm nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thải tiêu sọ như sau:

Hình 2. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải tiêu sọ

2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Mô hình sân phơi cát

Mô hình: thùng nhựa 50 lít, có kích thước như hình 3.

Vật liệu: cát xây dựng đã được qua sàng loại bỏ hạt mịn và rửa sạch. Đá xanh 2x4cm được ngâm và rửa. Thứ tự bố trí vật liệu như hình vẽ.

Tiến trình thí nghiệm: cho nước thải vào mô hình và tiến hành đo thể tích lọc được theo thời gian. Thí nghiệm được tiến hành nhiều lần và lấy kết quả trung bình.

2.2. Mô hình lọc sinh học kỵ khí

Mô hình: Bình nhựa hình trụ 10 lít, kích thước như hình 4, bên trong có bố trí vật liệu lọc và bơm tuần hoàn. Đối tượng nghiên cứu là nước thải sau lọc cát.

Vật liệu:- Bùn kỵ khí 2000g

- Xơ dừa thay đổi: 0g/l, 15 g/l, 20g/l, 25g/l, 30g/l - Bơm tuần hoàn lưu lượng 200l/h

Nước

thải Sân phơi cát kết hợp điều hoà

nước thải

Lọc sinh học

kỵ khí

Thải

Lọc sinh học hiếu khí

Keo tụ

Hệ thực vật Thải

(1

(2

Máy thổi khí

Tiến trình thí nghiệm: thời gian thích nghi từ 2-3 tuần, sau đó chạy tải COD tăng dần từ 750 ÷ 3000mg/l; Kiểm tra COD, pH theo hàm lượng xơ dừa khác nhau, sau đó theo dõi sự biến đổi COD cần nghiên cứu theo thời gian tương ứng với lượng xơ dừa tối ưu.

Thí nghiệm lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình.

2.3.Mô hình lọc sinh học hiếu khí

Mô hình: Bình nhựa trụ 10 lít, kích thước như hình 5, bên trong có bố trí vật liệu lọc, máy thổi khí và bơm tuần hoàn. Đối tượng nghiên cứu là nước thải sau kỵ khí.

Vật liệu: - Bùn hoạt tính 2200ml nồng độ 7980mg/l, - Xơ dừa: 0g/l, 10g/l, 15g/l, 20g/l, 25g/l

- Bơm tuần hoàn 200l/h và máy sục khí

Tiến trình thí nghiệm: thời gian thích nghi 2 tuần, sau đó chạy tải COD tăng dần từ 200÷1250mg/l; Kiểm tra COD, pH theo hàm lượng xơ dừa khác nhau, sau đó theo dõi sự biến đổi COD theo thời gian tương ứng với lượng xơ dừa tối ưu.

Thí nghiệm lặp lại 3 lần và lấy kết quả trung bình.

2.4.Mô hình liên tục

Để kiểm chứng lại hiệu quả xử lý từ mô hình tĩnh, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xây dựng mô hình liên tục.

Mô hình liên tục bao gồm 3 mô hình tĩnh đã trình bày ở trên, nhưng nước thải được cấp vào liên tục với sự biến động của tải COD.

Kiểm tra COD, pH và độ màu hàng ngày.

5 0 0 m m 1 0 2 0 3 0

Lôùp ñaù 2x4cm Lớp cát 0,8 – 1,2mm

Nước thải

300

Hình 3. Mô hình sân phơi cát

Bôm tuaàn hoaøn

Thông

hơi

Hình 6. Mô hình liên tục

300

500

200

400 400

200 BỂ LỌC CÁT

Nöôùc sau xöû lyù MÁY THỔI KHÍ NƯỚC THẢI

ĐƯỜNG ỐNG NƯỚC ĐƯỜNG ỐNG KHÍ

BỂ LỌC KỴ KHÍ BỂ LỌC KỴ KHÍ

ĐƯỜNG ỐNG TUẦN HOÀN

BỂ LỌC HIẾU KHÍ

Hình 7. Mô hình thí nghiệm Jartest

2.5.Mô hình jartest và hệ thực vật

Mô hình Jartest: Thí nghiệm được tiến hành bằng nhiều loại phèn khác nhau (FeCl3, FeCl2, Al2(SO4)3 và phèn BK) trên đối tượng nước thải sau xử lý sinh học.

Thực nghiệm hệ thực vật tự nhiên: Các hợp chất màu, lignin, hucmic,…trong nước thải không gây hại cho cây trồng cho nên được xử lý qua cơ chế lọc và hấp phụ. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm bãi cỏ voi tại cơ sở sản xuất tiêu sọ thuộc huyện Đắk Rlấp, Đắk Nông.

3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.1.Kết quả mô hình sân phơi cát (Hình 8)

Đối với nước ngâm, SS không lớn nhưng COD và độ màu cao nên tốc độ lọc giảm nhẹ theo thời gian và chu kỳ lọc có thể kéo dài đến 1 ngày. Tốc độ lọc trung bình trong 1 chu kỳ là 0,225 m³/h.m². Hiệu quả khử SS là 58,3% và COD là 18,1%.

Đối với nước chà bóc vỏ, vì SS rất cao nên tốc độ lọc giảm nhanh và chu kỳ lọc chỉ 4h. Tốc độ lọc trung bình trong 1 chu kỳ là 0,194 m³/h.m². Hiệu quả khử SS là 99% và COD là 88,7%.

3.2.Kết quả mô hình lọc sinh học kỵ khí Kết quả xác định hàm lượng giá thể xơ dừa

Hình 8. Khả năng lọc của Sân phơi cát

Thể tích (lít)

Nước thải chà

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Thời gian (ph)

Thể tích (lít)

Nước thải chà vỏ tiêu Nước thải ngâm tiêu

Đối với mô hình lọc sinh học kỵ khí (hình 9): khi COD từ 750mg/l ÷ 1250mg/l thì lượng xơ dừa tối ưu 20 g/l và hiệu quả khử COD đạt 53,7 ÷ 76,2%. Khi COD tăng 2000 ÷ 3000mg/l thì lượng xơ dừa tối ưu 25 g/l và hiệu qủa đạt 84% ÷ 91,8% tương ứng thời gian lưu nước 1 ngày.

Đối với mô hình lọc sinh học hiếu khí (hình 9): khi COD từ 200mg/l ÷ 500mg/l thì lượng xơ dừa tối ưu 20 g/l và hiệu quả khử COD đạt 50 ÷ 80,6%. Khi COD 750 ÷ 1250mg/l thì lượng xơ dừa tối ưu 25 g/l và hiệu qủa đạt 65,7% ÷ 88,2% tương ứng thời gian lưu nước 1 ngày.

XÁC ĐỊNH LƯỢNG XƠ DỪA KỴ KHÍ TỐI ƯU

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 5 10 15 20 25 30 35

Xơ dừa (g/l)

hi eäu q ua û

COD = 750 mg/l COD = 1250 mg/l COD = 2000 mg/l COD = 2500 mg/l COD = 3000 mg/l

Hình 9. Kết quả mô hình lọc sinh học kỵ khí _{Hình 10.} Kết quả mô hình lọc sinh học hiếu khí 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 5 10 15 20 25 30 35

hiệu quả (%)

COD= 200mg/l COD =300mg/l

xơ dừa

(g/l)

XÁC ĐỊNH LƯỢNG XƠ DỪA HIẾU KHÍ TỐI ƯU

COD= 500mg/l COD= 750mg/l

COD= 1000mg/l COD= 1250mg/l

) /

* ( K

₁

G V ) Ln

/

( C t

Ln ∆ ∆

) ( ) /

( C t f C

Ln ∆ ∆ =

Kết quả nghiên cứu sự biến đổi COD theo thời gian:

Kết quả nghiên cứu trên mô hình lọc kỵ khí COD sau lọc cát 3000mg/l và lượng xơ dừa 25g/l như bảng 2.

Bảng 2. Kết quả nghiên cứu trên mô hình tĩnh (COD = 3000mg/l và xơ dừa là 25g/l)

0h 4h 8h 12h 16h 20h 24h

COD (mg/l) 3000 1100 834 612 419 330 293

pH 6,50 7.18 7.22 7.30 7.36 7.41 7.52

Ln(-∆C/∆t) - 6.16 5.60 5.29 5.08 4.89 4.73

Ln C - 7.00 6.73 6.42 6.04 5.80 5.68

Kết quả nghiên cứu trên mô hình tĩnh tương ứng với COD sau lọc kỵ khí là 400mg/l được trình bày trên bảng 3.

Bảng 3. Kết quả nghiên cứu trên mô hình tĩnh (COD sau lọc kỵ khí là 400mg/l)

0h 4h 8h 12h 16h 20h 24h

COD (mg/l) 400 254 146 134 105 100 94

pH 7.40 7.95 8.25 8.34 8.42 8.50 8.58

Ln(-∆C/∆t) - 3.60 3.46 3.10 2.91 2.71 2.55

Ln C - 5.54 4.98 4.90 4.65 4.61 4.54

Xác định phương trình động học biến đổi cơ chất

Động học quá trình sinh học được mô tả theo phương trình sau:

Trong đó: α là bậc phản ứng; K

1

là hằng số tốc độ phản ứng V là thể tích nước thải; G là khối lượng xơ dừa

Tuyến tính hoá về dạng: Y = K +

α

^X với Y = ; X = Ln(C) và K = Từ dữ liệu thực nghiệm ta lập được đồ thị

Kết quả động học quá trình kỵ khí được biểu diễn trên hình 11 và quá trình hiếu khí được biểu diễn trên hình 12.

Từ đó ta xác định được các thông số động học:

- Đối với quá trình kỵ khí : α = 0,9808 và K1 = 0,07425 - Đối với quá trình hiếu khí: α = 0,8149 và K2 = 0,2162

VdC

Gdt = - K

₁

C

^α

(1)

Thời gian (h) Thông số

Thời gian (h) Thông số

y = 0.9808x + 1.0885 R² = 0.9496

3 4 5 6 7 8

Y = L n ( ∆ C / ∆ t)

y = 0.8149x + 2.3805 R² = 0.8297

2 3 4 5 6

L n(

d C/

dtY = Ln(∆C/∆t)

3.3.Mô hình liên tục

Mô hình liên tục dễ vận hành, hiệu quả khá cao và tương đối ổn định (94,6 ÷ 96,6%) mặc dù nước thải đầu vào biến động mạnh do tính chất khác biệt giữa nước ngâm và nước chà. Nước ngâm khó xử lý sinh học hơn nước chà do nồng độ đậm đặc hơn và có chứa các hợp chất mạch vòng khó phân huỷ, điều này thể hiện qua khả năng thích nghi và hiệu quả xử lý.

3.4.Kết quả mô hình jartest

Bảng 4. Kết quả thí nghiệm xử lý nước thải sau sinh học bằng các loại phèn khác nhau FeCl3

700 (mg/l)

FeSO4

750 (mg/l)

Al2(SO4)3

2000 (mg/l)

Phèn BK 1500 (mg/l)

Nước thải sau lọc hiếu khí

pH 5,57 8,95 5.48 5.56 8,80

COD (mg/l) 46 77 46 38 93

Độ màu (Pt-Co) 52 98 55 56 559

Xét trên 2 tiêu chí: hiệu quả xử lý và hiệu quả kinh tế thì phèn Bách khoa được lựa chọn.

Việc sử dụng hệ keo tụ đạt hiệu quả xử lý cao nhưng phải tốn chi phí hóa chất và phát sinh cặn sắt (là chất thải nguy hại), đồng thời phải có trình độ vận hành phù hợp.

3.5.Kết quả thử nghiệm hệ sinh thái cỏ voi

Cỏ voi sinh trưởng và phát triển tốt. Nước thải sau bãi cỏ voi có COD = 50 ÷ 90mg/l. hiệu quả xử lý không cao bằng sử dụng hệ keo tụ nhưng không phải tốn kém chi phí hoá chất, không phát sinh cặn sắt, ngoài ra có thể khai thác cỏ voi để làm thức ăn cho bò.

4. KẾT QUẢ TRIỂN KHAI ÁP DỤNG THỰC TẾ

Công nghệ nghiên cứu đã được triển khai áp dụng thực tế tại cơ sở Đặng Nhân Tài, xã Đạo Nghĩa, huyện Đắk Rlấp, Đăk Nông với công suất thiết kế 10m³/ngày.

Quy trình công nghệ như sau:

Thông số

Loại phèn

Hình 13. Sơ đồ qui trình công nghệxử lý nước thải tiêu sọ

Kết quả triển khai thực tế: (hình 14). Chất lượng nước thải sau xử lý: kết quả triển khai thực tế cho thấy, nước thải đầu ra ổn định và đạt tiêu chuẩn loại B.

Bảng 5. Chất lượng nước thải sau xử lý TT Thông số Đơn vị Nước thải sau

bãi cỏ voi

Nước thải sau

keo tụ TCVN5945 :2005 (cột B)

1 pH - 6,7 ÷ 7,4 5,8 ÷ 6,5 5,5 ÷ 9

2 COD mgO2/l 47 ÷ 90 60 ÷ 90 80

3 BOD5 mgO2/l 21 ÷ 40 41 ÷ 67 50

4 SS mg/l 28 ÷ 76 68 ÷ 80 100

5 Tổng N mg/l 2 ÷ 7 2,2÷3,5 30

6 Tổng P mg/l 1 ÷ 2 0,6 ÷1 6

7 Độ màu Pt-Co 180÷300 120÷250 50

Hình 14. HTXL nước thải Hình 15. Ủ bã tiêu làm phân Hình 16. Bãi cỏ voi Ngoài ra còn có thể khai thác các sản phẩm phụ:

- Phân bón cho cây trồng (hình 15): Bã tiêu sau khi tách bỏ khỏi sân phơi cát được đem ủ theo phương pháp ủ đống truyền thống với thời gian ủ 2 tháng.

- Cỏ voi (hình 16) có thể khai thác làm thức ăn cho trâu bò.

5. KẾT LUẬN

Mặc dù nước thải tiêu sọ có hàm lượng chất ô nhiễm COD, BOD, SS, độ màu rất cao nhưng với công nghệ nghiên cứu sẽ giải quyết được hiện trạng ô nhiễm môi trường do các cơ sở sản xuất gây ra. Đây là công nghệ hoàn toàn mới, được nghiên cứu dựa theo yêu cầu thực tế của địa phương.

Công nghệ nghiên cứu có hiệu quả xử lý cao, giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải từ các cơ sở sản xuất tiêu sọ gây ra, đồng thời phù hợp với điều kiện cụ thể của địa phương và trình độ lao động tại các cơ sở tiêu sọ. Công nghệ đã được triển khai áp dụng thực tế

NƯỚC VÀO

NƯỚC RA

BỂ LỌC KỴ KHÍ

HỆ KEO TỤ

BÃI CỎ VOI

BỂ LỌC HIẾU KHÍ SÂN PHƠI CÁT

tại cơ sở Đặng Nhân Tài và đã được Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Đắk Nông nghiệm thu, công nghệ sẽ được triển khai nhân rộng cho một số địa phương trên địa bàn huyện Đăk Rlấp.

Với công nghệ này chi phí đầu tư thấp, chi phí xử lý nước thải chỉ 2.300 đ/m³ nếu sử dụng hệ sinh thái và 4.000 đ/m³ khi phải sử dụng hệ keo tụ. Ngoài ra, còn có thể khai thác các sản phẩm phụ từ hệ thống xử lý.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ajit P. Annachhatre and Prasanna L. Amatya. UASB treatment of Tapioca starch wastewater. Journal of environmental engineering, (2000).

[2] Waste water Engineering. Treatment-Disposal – Reuse. Metcalf & Eddy, Inc. McGraw- Hill, Inc, (1991).

[3] Bùi Thanh Hà. Cây gia vị, đặc điểm và kỹ thuật gieo trồng - Nhà xuất bản Thanh Hóa (2004)

[4] Trần Văn Nhân, Ngô thị Nga. Giáo trình công nghệ xử lý nước thải. NXB Khoa học kỹ thuật, (1999).

[5] Nguyễn Văn Phước. Kỹ thuật xử lý chất thải công nghiệp. Trường Đại Học Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, tập 13.

[6] Trần Đình Toại, Nguyễn Thị Vân Hải. Động học các quá trình xúc tác sinh học. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2005.